Adv. Mater. : 熱誘導二維四元過渡金屬硫化物“合金-異質結構”轉化

【引言】

原始二維過渡金屬硫化物(2D TMDs)的帶隙固定不易調控，限制了其潛在應用。研究人員發現，摻雜/合金化方法可有效調控帶隙(如Mo_1-xW_xS₂、MoS_2(1-x)Se_2x、WS_2(1-x)Se_2x和Mo_1-xW_xSe₂)。另一方面，TMD異質結構能夠產生不同2D材料(如MoS₂/WSe₂)之間的界面，并提供控制界面處激子、光子和聲子的產生、限域和傳輸平臺，進而設計用于超快電荷傳輸的獨特器件。由于熵混合通常有利于合金的形成，因此異質結構的直接生長十分具有挑戰性。此外，引入其他組分增加了帶隙調控的可能性。對于某些組合物，合金相不穩定并且可以分解成異質結構，從而使異質結構在熱力學上穩定。盡管研究人員已經證明這一概念適用于III-V半導體，但在2D TMD領域尚缺乏相應的研究。

【成果簡介】

近日，美國萊斯大學Pulickel M. Ajayan教授、Chandra Sekhar Tiwary教授、Boris I. Yakobson教授、美國橡樹嶺國家實驗室Jordan A. Hachtel教授(共同通訊作者)等煅燒四元2D TMD合金形成橫向異質結構，并在Adv. Mater.上發表了題為“Thermally Induced 2D Alloy-Heterostructure Transformation in Quaternary Alloys”的研究論文。作者通過光致發光和拉曼光譜觀察到材料中的相分離，并通過掃描透射電子顯微鏡(STEM)檢測橫向異質結構的突出界面。隨組分變化的轉化是由于四元合金中存在溶解度間隙引起的。之后，作者從基于密度泛函理論的倒易解模型中獲得具有溶解度間隙的相圖，并通過實驗得到了2D原子層系統中組成驅動的異質結構形成的直接證據。

【圖文簡介】
圖1 四元合金轉化為異質結構

四元合金向異質結構轉化的主要步驟示意圖。

圖2 煅燒后樣品表征

a) 四元合金Mo_xW_(1?x)S_ySe_(1?y)的光學圖像；
b) 樣品煅燒前后相應的AFM圖像；
c) 樣品煅燒前后的Raman光譜；
d) 樣品煅燒前后的PL光譜；
e) 歸一化Raman圖像；
f) 歸一化PL圖像。

圖3 STEM-EELS表征及原子級分析

a) 四元合金片的STEM-HAADF圖像；
b) a圖中白色框區域的高分辨HAADF圖像；
c) b圖標示區域(R1、R2、R3)的EEL光譜；
d,e) Mo的N邊和W的O邊參考光譜；
f) b圖中白色框區域的HAADF圖像；
g) b圖中R2和R3區域單層界面的原子級分辨率HAADF圖像；
h) g圖中六方相2H晶格原子組成；
i,j) 根據HAADF強度所得原子組成直方圖；
k) h圖中原子組成分辨標識。

圖4 組分對異質結構形成的影響

a) 四元合金的組分對形成異質結構的影響；
b) Mo_xW_(1?x)S_2ySe_2(1?y)合金中的溶解度間隙。

【小結】

綜上所述，作者證實對四元Mo_1-xW_xS_2(1-y)Se_2y合金進行簡單煅燒可使其轉化為MoS_2(1-x)Se_2x/WS_2(1-y)Se_2y橫向異質結構，上述異質結構具有幾乎原子級清晰的界面。作者通過旋節線分解解釋了這種相分離現象，應歸因于溶解度間隙的存在。根據實驗和DFT計算的相圖所示，溶解度間隙有利于從合金到異質結構的轉化， 這一轉化現象在所有亞穩性2D合金中是常見的。將可調合金化/摻雜方法與2D材料中異質結構的器件特性相結合產生了MoS_2(1-x)Se_2x/WS_2(1-y)Se_2y結構，其有望在柔性電子器件等領域中具有廣泛的應用。

文獻鏈接：Thermally Induced 2D Alloy-Heterostructure Transformation in Quaternary Alloys?(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201804218)

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